Электронная библиотека диссертаций и авторефератов России
dslib.net
Библиотека диссертаций
Навигация
Каталог диссертаций России
Англоязычные диссертации
Диссертации бесплатно
Предстоящие защиты
Рецензии на автореферат
Отчисления авторам
Мой кабинет
Заказы: забрать, оплатить
Мой личный счет
Мой профиль
Мой авторский профиль
Подписки на рассылки



расширенный поиск

Эколого-химические закономерности формирования биологической полноценности водной среды Каспийского моря Семеняк, Людмила Васильевна

Данная диссертационная работа должна поступить в библиотеки в ближайшее время
Уведомить о поступлении

Диссертация, - 480 руб., доставка 1-3 часа, с 10-19 (Московское время), кроме воскресенья

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Семеняк, Людмила Васильевна. Эколого-химические закономерности формирования биологической полноценности водной среды Каспийского моря : автореферат дис. ... доктора биологических наук : 11.00.11 / МГУ. Биологич. факультет.- Москва, 1996.- 48 с.: ил. РГБ ОД, 9 96-4/1059-5

Введение к работе

Актуальность работы. В условиях постоянно усиливающегося антропогенного воздействия на окружающую среду проблема загрязнения и ухудшения качества природных вод является одной из наиболее актуальных. Ухудшение условий обитания гидробионтов приводит к снижении их видового многообразия, к нарушению межвидовых взаимосвязей, к сокращению рыбных ресурсов, в среде появляются неизвестные ранее токсические факторы, вода становится непригодной для сельскохозяйственного, промышленного и питьевого водоснабжения.

Одним из важнейших рыбохозяйственных водоемов России является Каспийское море, главным образом Северный Каспий и северо-западная часть Среднего Каспия, где сосредоточено до 98% запасов осетровых и полупроходных рыб Волго-Каспийского бассейна. В последние годы здесь наблюдается тенденция к резкому снижению численности наиболее ценных пород рыб ( в том числе осетровых), что является косвенным свидетельством неблагоприятных изменений в среде их обитания.

В этой связи возникает вопрос о факторах антропогенного воздействия, лимитирующих условия обитания биологических сообществ, их количественной оценки применительно к экосистемам Северного и Среднего Каспия, об уровнях химического загрязнения и ассимиляционной способности водной среды Каспийского моря в отношении различных загрязняющих веществ.

Поставленные применительно к Каспийскому морю вопросы имеют общий характер, поэтому поиски ответов на них опираются на совокупность современных знаний о взаимосвязи и взаимозависимости химических и биологических свойств водной среды обитания живых организмов. В этой связи нельзя не упомянуть о пионерских работах, выполненных отечественной школой гидробиологов и гидрохимиков -Строгановым Н. С., Телитченко М.М., Сиренко Л.А., Брагинским Л.П.. Филенко О.Ф., Алекиным О.А., Израэлем Ю.А. и многими другими исследователями.

Опираясь на достигнутый уровень понимания гидроэкохимических процессов, мы поставили своей задачей детализировать молекулярные механизмы, наиболее важных из них, определяющих способность к химическому самоочищению природной водной среды и ее биологическую полноценность.

Состояние загрязненности водной среды замкнутых водоемов.таких как Каспийское море, формируется под влиянием загрязняющих

- г -

веществ, поступающих с водосборной площади с речным стоком, ( сточными и коллекторно-сбросными водами, а также в результа' процессов массопереноса в системе "атмосфера - вода - донные от ложения". В частности, гидролого-гидрохимический режим Северної Каспия и северо-западной части Среднего Каспия формируется, в ot новном, под воздействием стока рек Волги, Терека, Сулака и koj лекторно-сбросных вод оросительных систем. Поэтому при анали; состояния загрязнения водной среды Каспия первостепенное значені имеют данные по уровню загрязненности речных и сбросных вод.

В водоеме загрязняющие вещества могут накапливаться в донні отложениях и гидробионтах, подвергаться биологической деструкщ и химической трансформации в результате гидролиза, фотолиза ш окислительно-восстановительных превращений, а также метаболичес кой активности гидробионтов. Совокупность всех этих процессов or ределяет потенциальную способность природной водной среды к саме очищению, что непосредственно связано с условиями обитания гидре бионтов.

Традиционные гидробиологические и гидрохимические показате; характеризуют состояние водной экосистемы, не раскрывая механизк внутриводоемньк химико-биологических процессов, ответственные г биологические свойства природной водной среды. Тем самым принять в системе контроля и наблюдений показатели недостаточны для аде? ватной оценки состояния природной водной среды и способности ее самоочищению. Среди внутриводоемньк процессов наиболее значик продукционно-деструкционные. фотохимические и окислительно-восст ановительные процессы, связанные с биологическим круговороте кислорода и углерода. Антропогенное влияние на эти процессы и вь зывает, в конечном итоге, наблюдаемые изменения в водной экосис теме.

Говоря о внутриводоемньк химико-биологических процессах, от ветственных за качественные характеристики природной водной срє да, наряду с механизмом их осуществления важное значение имее временной фактор. В частности, необходимы данные о скоростя трансформации загрязняющих веществ в водной экосистеме.

В связи с этим одной из актуальных задач является разработк кинетических параметров, позволяющих оценить допустимую нагрузк на водоем по загрязняющим веществам. Кинетические параметры необ ходимы также для прогнозирования возможных изменений состояни

загрязнения водной среды при изменении масштабов сброса загрязняющих веществ или при изменении гидрологического режима водоема, что особенно актуально в условиях повышения уровня Каспия.

Важную роль в самоочищении природной водной среды играют процессы с участием продуктов активации кислорода - пероксида водорода, гидроксильных и супероксидных радикалов (Тарусов Б.Н., 1954, Синельников В.Е.. 1971, Скурлатов Ю.И., 1983). В частности, под воздействием радикалов ОН в водной среде осуществляется трансформация наиболее трудноокисляемых загрязняющих веществ.

В образовании свободных радикалов в природных водах большое значение имеет солнечный свет и каталитические процессы с участием пероксида водорода, продуктов жизнедеятельности микроводорослей и ионов металлов переменной валентности.

Количественная оценка вкладов свободных радикалов и каталитических редокс-реакций в процессы самоочищения природной водной среды до конца 60-х годов не проводилась. В частности, совершенно не изучена роль таких реакций в формировании потенциала самоочищения водной среды Каспийского моря.

В связи с этим актуальна задача по установлению роли фото-химических, каталитических, окислительно-восстановительных и свободно-радикальных процессов в формировании качества и биологической полноценности природной водной среды, в частности, применительно к среде Северного и Среднего Каспия. При этом важно количественно охарактеризовать роль свободно-радикальных процессов в трансформации загрязняющих веществ в ряду других процессов самоочищения бассейна северо-западной части Каспия.

Решение поставленной задачи возможно лишь путем сочетания натурных исследований с изучением модельных химико-биологических систем. Учитывая открытый характер природной водной среды как каталитической окислительно-восстановительной системы, на защиту выносится научное направление: исследование внутриводоемных химико-биологических процессов, определяющих способность к химическому самоочищению и формирующих биологическую полноценность природой водной среды с применением каталитических окислительно-восс-гановительных систем открытого типа.

Цель работы заключается в обосновании роли окислитель-ю-восстановительных и свободно-радикальных процессов в самоочи-

щении и формировании биологической полноценности природной водно среды, а также в изучении механизмов протекания этих процессов модельных редокс-каталитических и фото-каталитических системах, количественной оценке вклада свободно-радикальных процессов в по тенциал самоочищения Каспийского моря. В задачи исследования входит:

  1. Изучение состояния экосистем Северного и Среднего Каспи в зависимости от биотических и абиотических факторов, определяю щих биологическую полноценность водной среды и способность деструктивной трансформации загрязняющих веществ;

  2. Изучение факторов антропогенного воздействия, влияющих н внутриводоемные химико-биологические процессы, в частности, влия ние коллекторно-дренажных сточных вод на внутриводоемные окисли тельно-восстановительные процессы, протекающие в природной водно среде;

  3. Выяснение последствий воздействия на состояние водно среды коммунально-промышленных сточных вод после их биологическо; очистки с целью разработки практических рекомендаций по совер шенствованию технологии очистки сточных вод, их детоксикации предотвращения интенсификации внутриводоемных восстановительны процессов.

Научная новизна. С применением как традиционных гидробиоло гических и гидрохимических характеристик, так и новых (кинетичес ких) показателей качества природных вод, отражающих динамик: внутриводоемных окислительно-восстановительных и свободно-ради кальных процессов, дана оценка влияния речных (Волга, Терек, Су-лак) и коллекторно-сбросных вод оросительных систем на биологи-ческую полноценность и способность водной среды Северного и северо-западной части Среднего Каспия к химическому самоочищению.

На примере гидрохинона и глутатиона детально изучены изучен! механизмы каталитических процессов окисления веществ-восстановителей биологической природы, моделирующих природные окислительно-восстановительные процессы, участвующие в формировании биологической полноценности и способности водной среды к самоочищению.

Впервые (на примере гидрохинона) установлен и количественні охарактеризован механизм сопряженных свободно-радикальных процессов окисления загрязняющих веществ при участии ионов меди в ка-

честве катализатора и пероксида водорода в качестве окислителя. Этот механизм положен в основу развиваемой в работе концептуальной модели каталитического химико-биологического инициирования свободных радикалов в природной водной среде.

На примере глутатиона обнаружен новый тип нерадикальных каталитических процессов окисления тиольных соединений, установлена роль этих соединений как ингибиторов внутриводоемных окислительно-восстановительных и свободно-радикальных процессов, показана специфическая роль этих соединений в связывании ионов меди в не-' реакционноспособную Форму.

На основе полученных данных впервые (на примере глутатиона) для нёферментативной системы показана возможность осуществления 4-х электронного восстановления молекулярного кислорода до воды без промежуточного образования Нг02.

Впервые проведено районирование акватории Каспийского моря
по кинетическим показателям, характеризующим' эффективность сво
бодно-радикальных процессов самоочищения, рассчитана ассимиляци
онная емкость Кизлярского залива в отношении некоторых'., наиболее
характерных органических загрязняющих веществ (фенолов, нефтепро
дуктов, хлорорганических соединений). ]

Практическая значимость. Результаты работы использованы для:

1) оценки и прогноза качества водной среды Каспия в,условиях
повышения уровня моря; ( '",.'.' ,.'.,

'"" 2) разработки и внедрения способов детоксикации водной среды при искусственном воспроизводстве осетровых рыб; .,...,.

3) разработки и внедрения способа интенсификации биологической очистки коммунально-промышленных сточных вод.

Результаты работы могут быть использованы для:...

а) разработки практических рекомендаций по снижению влияния
коммунально-промышленных сточных вод после их биологической
очистки на направленность внутриводоемных окислительно-восстано
вительных процессов и связанные с этим негативные последствия для
естественного воспроизводства осетровых;

б) разработки способов интенсификации процессов самоочищения
и регулирования качества природных вод при различных видах водо
пользования (например, для питьевого водоснабжения в районах под
нятия грунтовых вод вследствие повышения уровня Каспия);

в) разработки целевых водоохранных программ, типовых с
очистки коллекторно-сбросных вод оросительных систем, дренажны
коммунально-промышленных сточных вод;

г) при экспертизе водохозяйственных проектов, нормирова
предельно-допустимых сбросов и уровней химического загрязне
речных и сточных вод.

Основные положения, выносимые на защиту:

Исходя из целей и задач исследований на защиту вынося следующие основные положения:

  1. Обоснование динамической редокс-модели природной вод среды на основе каталитических окислительно-восстановитель систем открытого типа.

  2. Роль восстановителей типа гидрохинона (предшественни водного гумуса) и ионов меди в механизме химико-биологическ инициирования гидроксильных радикалов.

  3. Роль тиол-содержащих восстановителей типа глутати (участников биологического круговорота серы) в механизме форми; вания токсичного квазивосстановительного состояния природной ві ной среды и ингибирования свободно-радикальных процессов самоо щения.

  4. Оценка состояния водной среды Каспийского моря по кине' ческим показателям самоочищения и направленности окислите, но-восстановительных процессов с учетом влияния стока рек Вол;

' Терека. 'Сулака и коллекторно-сбросных вод Терско-Кумской орої тельной системы.

  1. Обоснование причин сокращения осетровых ресурсов Касі как следствие антропогенной интенсификации внутриводоемных во< тановительных процессов, приводящих к изменению.динамического J докс-состояния водной среды.'

  2. Способ оценки предельно-допустимого сброса органичесі загрязняющих веществ в природные водоемы, основанный на уче вклада свободно-радикальных процессов в их трансформацию.

  3. Влияние сточных вод после их биологической очистки направленность внутриводоемных окислительно-восстановитель* процессов.

Апробация работы и публикации

Основные результаты отражены в 23 публикациях и одном авторском свидетельстве. Результаты работы докладывались на III, V Конференциях молодых ученых Дагестанского Филиала АН СССР ( г.Махачкала, 1980, 1982 гг.), Конференции Дагестанского географического общества (г.Махачкала, 1980 г.), на секции "Каталитические реакции в природных водах" IV Международного Симпозиума по гомогенному катализу (г.Ленинград, 1984г.), на III Международном Симпозиуме "Комплексный глобальный мониторинг состояния биосферы" (г.Ташкент, 1985 г.), на Симпозиуме стран-членов СЭВ "Комплексные методы контроля качества природной среды" (г.Москва, 1986 г.), на советско-американском Симпозиуме "Поведение пестицидов и химикатов в окружающей среде" (г.Айова-Сити. США. 1987 г.), на III Международной школе по экологической химии водной среды (г.Алма-Ата, 1990 г.). на Международной конференции "Процессы на поверхности раздела фаз в окружающей среде" (Швейцария, 1991 г.). на Международном конгрессе "Вода: химия, экология и технология" (г.Москва. 1994г.), на Международной конференции "Каспий-95" (г.Москва, 1995 Г.).

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, выводов и списка литературы.